超越地球视角 太空教育“带飞”科学梦想

12月9日15时40分，中国首个空间科学教育品牌“天宫课堂”正式上线。通过向全球直播，神舟十三号航天员翟志刚、王亚平、叶广福在天河核心舱进行了中国空间站首次太空讲座。

从“太空第一课”到“天宫课堂”第一课，中国用了8年时间。八年前，王亚平在中国的第一场关于“天宫一号”的太空讲座成为一代人的珍贵记忆。8年后，来自中国空间站的这门科学课再次唤醒了无数中小学生对宇宙的向往。

空间站作为国家航天实验室，也是重要的空间科学教育基地，蕴含着丰富的教育资源，在激励公众特别是青少年弘扬科学精神、热爱航天事业方面具有特殊优势。在世界范围内，航天教育已经成为年轻人和载人航天之间最好的桥梁，吸引了越来越多国家的关注。

天宫教室

每一分钟都是精心设计的。

与八年前相比，这个空间讲座平台更大，互动性更强，“新课程”更丰富。短短60分钟的空间教学，每一分钟都是精心设计的，每一步都来之不易。

事实上，空间教学的“选题”条件相当苛刻。例如，实验所需的材料和设备必须安全、可靠、质量小、体积小、功耗低，不影响宇航员健康，不污染驾驶舱环境。当然，同时也要考虑原创性、简洁性、可行性等因素，不需要花费宇航员大量的时间。

早在2013年6月20日，神舟十号航天员王亚平在聂海胜、张的协助下，在天宫一号靶机上进行了国内首次太空讲座。当时全国有6000多万中小学生观看了直播讲座，引起了很大的社会反响。这个班在一代人心中播下了追求太空梦想的种子。

为了准备这次航天讲座的内容，我国成立了航天讲座专家组，作者也是专家组成员。航天教学专家组研究了竹篮打水、乒乓球、回旋镖、溜溜球、跳绳等20多个方案。然后按照科学性、教育性、趣味性、可行性、可视性、即时性、可操作性、安全性的原则，经过头脑风暴、反复筛选、严格论证，最终确定从物体的运动特性和液体的表面张力两个方面进行物理实验。

接下来，专家组还将仔细研究每一个被确定的实验。比如用来做水膜的金属环，哪个尺寸和形状更合适？单摆实验是用绳子还是杆把球连接起来？这些实验细节需要反复论证。

失重环境作为载人航天器在轨运行最直接、最明显的特征，一直激发着世界各国宇航员的奇思妙想。他们经常利用空闲时间录制空间实验的教育演示视频。这些被称为“周六工程师”的宇航员将陀螺仪、足球、纸飞机、曲棍球等许多地面运动、游戏和玩具搬到空间站，演示了许多物理概念和定律，包括失重环境下物体的质心、旋转、共振、波动、牛顿定律、质量和重量、线性动量、角动量守恒、液体表面张力、伯努利定律、向心力和加速度。

这些视频虽然不需要消耗额外的能量，也不需要特殊的硬件设备，但至少需要两名宇航员的配合，其中一名负责摄像，另一名负责演示。演示视频已成为国际空间站一项成功的空间教育活动。它只需要简单的教具，利用失重环境，就能生动有趣地描述地球上不易理解的概念，如物体的运动特性、液体的表面张力等。并让更多的学生参与到真实的太空任务和实验中，接触到尖端的太空设备，获得前所未有的体验，这极大地激发了学生的好奇心和创造力。

太空教育的方式有很多，比如建立一个太空教育网站，和载人飞船上的宇航员进行视频通话。2022年，我国将建成“天宫”空间站，“天宫课堂”将继续开展航天教学活动，我国航天教育的形式和内容将更加丰富多彩。

失重环境

空间站不会调制鸡尾酒。

载人飞船内的失重环境给人最直观的感觉就是“那里的物理世界变得不一样了”。在失重环境下演示不同的物理现象，可以帮助青少年更好地理解物理概念和规律。在这次太空讲座中，几乎所有的实验都与失重有关。

在失重科学实验方面，国外为青少年开发了许多太空实验。2007年，美国女宇航员芭芭拉摩根在国际空间站给青少年做了世界上第一次太空演讲。按照同学们要求知道如何在太空中锻炼的要求，她把身旁的两名宇航员一个个扶了起来。2012年，宇航员佩蒂特在国际空间站为地球上的学生演示了一个有趣的实验，——个水滴在太空中的毛衣针周围飞行，验证带有静电的毛衣针是如何影响水滴在太空中的运动的。

此外，水在失重环境下的沸腾现象与地面有很大不同。在失重状态下，由于没有对流和浮力，加热产生的气泡会附着在容器底部，停留很长时间，最后形成一个漂浮在水中的大气泡。研究失重环境下的沸腾现象对空间或地面工程的散热设计非常有用，可以防止“气锁”。

更有趣的是，在失重环境下，不同密度的介质不再相对沉淀分层，而是处于相互悬浮、均匀分散的空间分布状态。因此，即使是一个高级调酒师也不能在太空中调制鸡尾酒。

没有了引力场，燃烧就变得不一样了，这是大多数人都没有想到的。常见的泪滴火焰是由重力引起的对流产生的。在太空失重环境下，没有对流，蜡烛不仅燃烧速度比地面慢很多，而且炭黑也能充分燃烧，从而呈现出蓝色的球形火焰。

所有这些现象都是太空教室独有的，对青少年更好地理解物理规律非常有帮助。

除了失重状态下的物理科学实验，一些生物实验也经常在太空课上进行。例如，2003年，美国哥伦比亚号航天飞机进行了一项太空蚂蚁实验。在航天飞机飞行的16天里，宇航员发现在太空中，蚂蚁变得更加活跃，会拼命挖掘隧道。

又如，“太空蛋白质晶体生长”实验是载人航天活动中的重要项目，各国都很重视。在地面上，由于受重力影响，很难制成大而纯的蛋白质晶体。在失重条件下，蛋白质晶体可以比在地球上生长得更纯净，体积也更大。目前，在国际空间站上也开展了促进蛋白质晶体增长的实验，其中有500多个蛋白质样本的准备有青少年参与，这可使学生了解什么是结晶、结晶的分析方法、结晶的先进生物工艺、结晶在医学和生物学研究中的作用等。

太空实验

学生们的科学心愿可上天

除了在地面观看视频，青少年还可以自己设计太空实验，争取送到载人航天器上进行实验的机会。

在美国航天飞机服役期间，航天飞机的大货舱内专门安装有用于太空实验的“搭载箱”，想在航天飞机上进行实验的学生可租用它。“搭载箱”可放置“零星搭机实验”专用容器，根据不同的大小和质量，收费标准分别为10000美元、5000美元和3000美元。有些国家为了培养青少年对太空科学的兴趣，为其学生租下“搭载箱”进行太空实验。

目前，在国际空间站的各国实验舱内，有进行植物发育实验的“太空温室”、观察外太空对材料影响的“手提箱”、可完成各种生理实验的“实验架”、能进行各种实验的“手套箱”等各种太空实验设备。

太空科学实验多种多样，如材料加工实验、生物学实验、失重科学实验、医学和生命实验、对地观测实验等。迄今为止，国际空间站已完成了几十项学校与学生的科研项目，在太空开展了教学实验活动，设置虚拟课堂和虚拟演示验证课。

2012年，美国“龙”飞船把全美多所高校学生参与的23项研究运送到太空，后又带回地面。这些学生的研究项目是“学生航天飞行实验计划”的一部分，该计划给学生提供机会，设计微重力下物理、化学和生物学方面的研究项目。

我国曾从全国各地征集的上万份提案中，评选出五项由中小学生提出的上天方案。它们是：用胶粘法控制航天飞机舱内垃圾、液态混合物的凝固、微重力环境对草履虫生长和繁殖的影响、失重环境中固-液表面间的相互作用、蚕吐丝织茧实验。

这五项实验先后登上美国的航天飞机，前四项实验中除了草履虫实验由于电池工作寿命限制未获得成功外，其余三个方案都取得了很好的结果。最不幸的是蚕宝宝实验，由于“哥伦比亚号”航天飞机在返回过程中失事，中国的蚕宝宝也随之“香消玉殒”。

为了实现学生们的心愿，我国航天部门于2005年让蚕宝宝登上了中国第22颗返回式人造卫星。太空蚕回到地面后，学生们与科学家一起分析太空飞行对蚕宝宝和它们后代的影响。这是中国航天器首次搭载由孩子们自己设计的实验，对中国航天科技的发展具有开创性意义。

我国有关部门已组织青少年设计太空实验方案，并定期请专家评审。未来，优秀的青少年科学实验方案有望在中国空间站上实施。